RU2818373C1 - Signal-noise environment simulation method - Google Patents

Signal-noise environment simulation method Download PDF

Info

Publication number
RU2818373C1
RU2818373C1 RU2023124517A RU2023124517A RU2818373C1 RU 2818373 C1 RU2818373 C1 RU 2818373C1 RU 2023124517 A RU2023124517 A RU 2023124517A RU 2023124517 A RU2023124517 A RU 2023124517A RU 2818373 C1 RU2818373 C1 RU 2818373C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
signal
simulation
spectrum
walsh
paley
Prior art date
Application number
RU2023124517A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Алексей Сергеевич Ситников
Кирилл Евгеньевич Кузнецов
Павел Васильевич Пустозеров
Original Assignee
Алексей Сергеевич Ситников
Кирилл Евгеньевич Кузнецов
Павел Васильевич Пустозеров
Filing date
Publication date
Application filed by Алексей Сергеевич Ситников, Кирилл Евгеньевич Кузнецов, Павел Васильевич Пустозеров filed Critical Алексей Сергеевич Ситников
Application granted granted Critical
Publication of RU2818373C1 publication Critical patent/RU2818373C1/en

Links

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: invention relates to a method of simulating a signal-noise environment. To simulate a signal-noise environment, a table-specified energy characteristic of the reproduced signal is entered, or an expression corresponding to its discretized analytical representation is set in the program, accuracy of signal simulation is adjusted based on the number of readings, simulation parameters are selected and calculated in a certain manner.
EFFECT: higher accuracy of simulation and reduced computational complexity of simulation algorithms.
1 cl, 2 dwg, 3 tbl

Description

Изобретение относится к области радиотехники и может быть использовано при полунатурных испытаниях радиотехнических средств (РТС), а также в их аппаратуре имитации и тренажа для имитации сигнально-помеховой обстановки, функционально-диагностического контроля и тренажа расчетов.The invention relates to the field of radio engineering and can be used in semi-natural testing of radio engineering equipment (RTS), as well as in their simulation and training equipment to simulate a signal-interference environment, functional diagnostic control and calculation training.

Современных РТС, способны обнаруживать и сопровождать воздушные объекты в различных климатических условиях, в стационарном и динамическом состояниях при воздействии вибраций и качек, в широких диапазонах по высоте, азимуту и скорости, в сложной активной и пассивной помеховой обстановке, включающей отражение зондирующего сигнала от различного типа подстилающих поверхностей и гидрометеоров. При этом возможна многоканальная работа как по одиночным объектам, так и по групповым целям. Вследствие указанных факторов к РТС предъявляются повышенные требования по точности и быстродействию. Для их удовлетворения необходим комплекс тестовых моделей сигналов внешней среды, обеспечивающих адекватное моделирование режимов функционирования РТС и строящихся на основе известных физических законов и математических преобразований, традиционно применяемых в цифровой обработке сигналов, а также данных натурных экспериментов. Для формирования комплекса тестирующих процессов применяются модели и алгоритмы имитации детерминированных и случайных сигналов.Modern radio systems are capable of detecting and tracking airborne objects in various climatic conditions, in stationary and dynamic states under the influence of vibrations and pitching, in wide ranges of height, azimuth and speed, in complex active and passive interference environments, including reflection of the probing signal from various types underlying surfaces and hydrometeors. In this case, multi-channel work is possible both on single objects and on group targets. Due to these factors, increased requirements for accuracy and speed are placed on RTS. To satisfy them, a set of test models of environmental signals is required, providing adequate modeling of the operating modes of the RTS and built on the basis of known physical laws and mathematical transformations traditionally used in digital signal processing, as well as data from field experiments. To form a set of testing processes, models and algorithms for simulating deterministic and random signals are used.

Многие из существующих моделей и алгоритмов не обеспечивают реализацию процессов с энергетическими характеристиками произвольной формы, в том числе полученными экспериментально. В частности, корреляционные функции и функции спектральной плотности мощности (дисперсии) таких случайных процессов могут содержать выбросы или разрывы первого рода [1]. Те же модели и алгоритмы, которые позволяют воспроизводить подобные случайные сигналы, либо обладают высокой вычислительной сложностью, либо содержат переходные процессы. Такие недостатки известных подходов затрудняют или делают невозможным их применение для расширенной отработки режимов, существующих и перспективных РТС в реальном времени при необходимости воспроизведения сложной сигнально-помеховой обстановки.Many of the existing models and algorithms do not provide the implementation of processes with energy characteristics of arbitrary shape, including those obtained experimentally. In particular, correlation functions and functions of power spectral density (dispersion) of such random processes may contain outliers or discontinuities of the first kind [1]. The same models and algorithms that make it possible to reproduce such random signals either have high computational complexity or contain transient processes. Such disadvantages of the known approaches make it difficult or impossible to use them for extensive testing of existing and future RTS modes in real time when it is necessary to reproduce a complex signal-interference environment.

Указанные обстоятельства приводят к снижению эффективности имитации внешней среды при полунатурных испытаниях и тестировании наземных РТС.These circumstances lead to a decrease in the efficiency of simulating the external environment during semi-natural testing and testing of ground-based RTS.

Известен способ имитации случайного процесса на основе разложений в тригонометрический ряд Фурье основанный на представлении сигнала суммой функций синуса и косинуса, который может быть использован для имитации воздушно-помеховой обстановки в РТС и принятый в качестве прототипа [2 с. 292-298]. Он состоит из двух этапов. Его суть заключается в следующем:There is a known method for simulating a random process based on expansions in a trigonometric Fourier series based on the representation of a signal as a sum of sine and cosine functions, which can be used to simulate an air-interference situation in a radio station and adopted as a prototype [2 p. 292-298]. It consists of two stages. Its essence is as follows:

1. Этап предварительной настройки, включающий:1. Pre-configuration stage, including:

- ввод характеристик воспроизводимого сигнала;- input of characteristics of the reproduced signal;

- настройку точности имитации случайного процесса, регулируемой числом N его отсчетов, выбор или расчет параметров имитации;- setting the accuracy of the simulation of a random process, controlled by the number N of its samples, selecting or calculating simulation parameters;

- расчет тригонометрических коэффициентов (спектральных коэффициентов в тригонометрическом базисе);- calculation of trigonometric coefficients (spectral coefficients in a trigonometric basis);

2. Этап восстановления сигнала из спектра.2. Stage of signal recovery from the spectrum.

В качестве недостатков рассмотренного прототипа можно указать следующее:The disadvantages of the considered prototype include the following:

1. Способ требует выполнения N 2 операций сложения и умножения и 2N 2+N ячеек памяти для хранения значений дисперсий и тригонометрических функций, а также затраты на формирование N случайных величин, что обуславливает большие затраты вычислительных ресурсов.1. The method requires performing N 2 addition and multiplication operations and 2 N 2 + N memory cells for storing the values of variances and trigonometric functions, as well as the cost of generating N random variables, which causes large expenditures of computing resources.

2. Невозможность имитации сигналов, задаваемых функций спектральной плотности (ФСП), автокорреляционных функций (АКФ), с выбросами и/или разрывами I рода.2. The impossibility of simulating signals specified by spectral density functions (SDFs), autocorrelation functions (ACFs), with outliers and/or discontinuities of the first kind.

3. Длительное время имитации процессов из-за присущего данному способу большого числа арифметических операций.3. Long time for simulating processes due to the large number of arithmetic operations inherent in this method.

Техническим результатом настоящего изобретения является возможность имитации сигналов, задаваемых ФСП (АКФ), с сохранением точности имитации в жестком модельном времени РТС и уменьшение вычислительной сложности алгоритмов имитации.The technical result of the present invention is the ability to simulate signals specified by the FSP (ACF), while maintaining the accuracy of the simulation in the rigid model time of the RTS and reducing the computational complexity of the simulation algorithms.

Технический результат достигается тем, что в способе имитации сигнально-помеховой обстановки, заключающемся в предварительной настройке, включающей ввод таблично заданной энергетической характеристики воспроизводимого сигнала либо задание в программе выражения, соответствующего ее дискретизированному аналитическому представлению, настройку точности имитации сигнала, регулируемой числом N его отсчетов, выбор или расчет параметров имитации, расчет тригонометрических коэффициентов и непосредственную имитацию сигнала, включающую восстановление сигнала из спектра, согласно изобретения, при предварительной настройке после расчета тригонометрических коэффициентов, производится расчет элементов ядра Фурье оператора взаимопреобразования спектров между базисами Фурье и Уолша-Пэли, выделение в этом ядре независимых групп тригонометрических коэффициентов, преобразование спектра в тригонометрическом базисе в спектр в базисе Уолша-Пэли путем расчета случайных коэффициентов Уолша-Пэли, а при непосредственной имитации производится восстановление сигнала из спектра путем суммирования произведений готовых погрупповых тригонометрических коэффициентов на погрупповые значения случайных коэффициентов Уолша-Пэли.The technical result is achieved by the fact that in the method of simulating a signal-interference environment, which consists of preliminary tuning, including entering a tabulated energy characteristic of the reproduced signal or specifying in the program an expression corresponding to its discretized analytical representation, setting the accuracy of the signal simulation, controlled by the number N of its samples, selection or calculation of simulation parameters, calculation of trigonometric coefficients and direct simulation of the signal, including reconstruction of the signal from the spectrum, according to the invention, with preliminary tuning after calculating the trigonometric coefficients, the elements of the Fourier kernel of the operator of interconversion of spectra between the Fourier and Walsh-Paley bases are calculated, highlighting in this core of independent groups of trigonometric coefficients, transforming the spectrum in the trigonometric basis into the spectrum in the Walsh-Paley basis by calculating random Walsh-Paley coefficients, and with direct simulation, the signal is restored from the spectrum by summing the products of ready-made group trigonometric coefficients by group values of random Walsh-Paley coefficients .

Физическая суть предлагаемого способа заключается в следующем. На первом этапе осуществляется предварительная настройка, которая включает в себя:The physical essence of the proposed method is as follows. At the first stage, preliminary configuration is carried out, which includes:

Ввод исходных данных, таблично заданных энергетических характеристики сигнала (ФСПД, АКФ) либо задание в программе выражения, соответствующего ее дискретизированному аналитическому представлению (таблица 1).Entering initial data, tabulated energy characteristics of the signal (FSPD, ACF) or specifying in the program an expression corresponding to its discretized analytical representation (Table 1).

Таблица 1. Аналитически заданные случайные процессыTable 1. Analytically specified random processes №п/пNo. ФСПД S (ω)FSPD S (ω) АКФ R (τ)ACF R (τ) НаименованиеName ГрафикSchedule Аналитическая записьAnalytical entry 1.1. Физический белый шумPhysical white noise 2.2. ЭкспоненциальнаяExponential 3.3. Кусочно-линейная
«треугольная»
Piecewise linear
"triangular"

где S (ω) - функция спектральной плотности дисперсии (ФСПД);where S (ω) is the dispersion spectral density function (DSDF);

- корреляционная функция; - correlation function;

τ - время;τ - time;

- частота реализации. - implementation frequency.

Далее производится настройка точности имитации сигнала, регулируемой числом N его отсчетов, напрямую влияющее на точность имитации.Next, the accuracy of the signal simulation is adjusted, regulated by the number N of its samples, which directly affects the accuracy of the simulation.

Далее производится выбор или расчет параметров имитации в зависимости от видов имитируемых процессов, используемого для имитации алгоритма:Next, the simulation parameters are selected or calculated depending on the types of processes being simulated and the algorithm used to simulate:

n - разрядность представления аргумента и номера базисной функции; n is the bit length of the argument representation and the number of the basic function;

T - время имитации; T - simulation time;

Δt k - шаг дискретизации по времени; Δ t k - time sampling step;

N - число реализаций сигнала (отсчетов); N is the number of signal realizations (samples);

- дисперсия; - dispersion;

ω с - частота среза; ω с - cutoff frequency;

для таблично заданной исходной АКФ: ввод массива ее дискретных значений N.for a table-specified initial ACF: input of an array of its discrete values N .

Далее производится расчет тригонометрических коэффициентов:Next, the trigonometric coefficients are calculated:

(1) (1)

где X ФЧ (k) - тригонометрические спектральные коэффициенты, рассчитанные по дискретной ФСПД или дискретной АКФ;where X PF ( k ) are trigonometric spectral coefficients calculated from discrete FSPD or discrete ACF;

R T (m) - теоретическая АКФ. R T ( m ) is the theoretical ACF.

Спектры одного и того же сигнала, представленного в общем функциональном пространстве разложениями в различных базисных системах, всегда связаны между собой линейным оператором преобразования, который полностью определяется своим ядром Фурье [1]. Поэтому далее производится расчет элементов ядра Фурье (Ф Ч ,Ф Н ) производится на основе расчета тригонометрического спектра Фурье:The spectra of the same signal, represented in a common functional space by expansions in different basis systems, are always related to each other by a linear transformation operator, which is completely determined by its Fourier kernel [1]. Therefore, further calculation of the elements of the Fourier kernel ( F H , F N ) is carried out based on the calculation of the trigonometric Fourier spectrum:

(2) (2)

где pal - функция Уолша-Пэли.where pal is the Walsh-Paley function.

Для каждого i-го отсчета дискретного случайного сигнала по алгоритму требуется вычисление ряда, число элементов которого зависит от числа групп n+1, которое логарифмически меньше N;For each i -th sample of a discrete random signal, the algorithm requires the calculation of a series, the number of elements of which depends on the number of groups n +1, which is logarithmically less than N ;

Тригонометрический спектр, является составным и представляет собой чередование четных Ф Ч (косинусных) и нечетных Ф Н (синусных) составляющих. Элементы ядра Фурье, оператора преобразования тригонометрического спектра в спектр Уолша - Пэли (pal), также разделяются на четные и нечетные.The trigonometric spectrum is composite and represents an alternation of even FN (cosine) and odd FN (sine) components. The elements of the Fourier kernel, the operator transforming the trigonometric spectrum into the Walsh–Paley spectrum ( pal ), are also divided into even and odd.

Поскольку мощность сигнала равна сумме мощностей его проекций [1, 3], то правильность осуществленных спектральных преобразований можно проверить с помощью равенства Парсеваля. Равенство выражает квадрат нормы элемента в таком пространстве через квадраты модулей коэффициентов Фурье этого элемента в заданной ортогональной системе. Since the signal power is equal to the sum of the powers of its projections [1, 3], the correctness of the spectral transformations carried out can be checked using Parseval’s equality. Equality expresses the squared norm of an element in such a space through the squared moduli of the Fourier coefficients of this element in a given orthogonal system.

Так как выделенные группы спектральных коэффициентов независимые, то в пределах каждой группы мощность сигнала как в тригонометрическом базисе, так и в базисе Уолша - Пэли одинакова. Следовательно, равенства Парсеваля можно записать по группам и соответственно выделить независимые группы спектральных коэффициентов:Since the selected groups of spectral coefficients are independent, within each group the signal power in both the trigonometric basis and the Walsh-Paley basis is the same. Consequently, Parseval’s equalities can be written in groups and, accordingly, independent groups of spectral coefficients can be identified:

- для группы 1: - for group 1:

- для группы 2: - for group 2:

- для группы с номером λ, λ=3,4,…,n+1:- for group number λ, λ=3,4,…, n +1:

l=0,1,…,2 λ -2-1 l =0.1,…,2 λ -2 -1

где Y П - случайный спектр Уолша-Пэли Y ТЧ четные и Y ТН нечётные.where Y P is the Walsh-Paley random spectrum; Y PM are even and Y TN are odd.

Эти равенства говорят о том, что распределение мощности сигнала по группам коэффициентов одинаково при представлении сигнала в тригонометрическом базисе и в базисе Уолша - Пэли.These equalities indicate that the distribution of signal power across groups of coefficients is the same when representing the signal in a trigonometric basis and in a Walsh-Paley basis.

Расчет по приведенным выше формулам позволяет получить ядро Фурье для любых N=2n.Calculation using the above formulas allows us to obtain the Fourier kernel for any N = 2 n .

Расчеты показали, что значительная часть элементов матрицы ядра Фурье равна нулю. Это имеет место и в общем случае, при произвольных значениях N. Для сокращения вычислительной сложности процесса преобразования спектров необходимо избежать выполнения арифметических операций, совершаемых впустую, т.е. над нулевыми элементами. Кроме того, тривиальное умножение на элемент, равный ±1, также не должно выполняться, а лишь приводить к смене знака операнда. При программной реализации алгоритмов имитации такие ситуации легко отслеживаются и дают дополнительную экономию времени преобразований.Calculations have shown that a significant part of the elements of the Fourier kernel matrix is equal to zero. This also occurs in the general case, for arbitrary values of N. To reduce the computational complexity of the process of transforming spectra, it is necessary to avoid performing arithmetic operations that are performed in vain, i.e. over zero elements. In addition, trivial multiplication by an element equal to ±1 should also not be performed, but only lead to a change in the sign of the operand. When implementing simulation algorithms in software, such situations are easily monitored and provide additional savings in transformation time.

Далее производится преобразование спектра в тригонометрическом базисе, в спектр в базисе Уолша-Пэли, путем расчета случайных коэффициентов Уолша-Пэли:Next, the spectrum in the trigonometric basis is converted into a spectrum in the Walsh-Paley basis by calculating the random Walsh-Paley coefficients:

(3) (3)

Из выражения (3) видно, что величины Z Н и Z Ч , являющиеся для каждой группы λ и каждого значения индексных переменных m, l произведением соответствующих спектрального коэффициента и элемента ядра Фурье, также можно вычислить на этапе настройки, хранить в памяти ЭВМ и использовать в готовом виде на этапе непосредственного воспроизведения сигнала. В результате значительный объем вычислительных операций будет отнесен к этапу настройки, существенно сокращая вычислительную сложность этапа непосредственной имитации сигнала.From expression ( 3) it is clear that the values of ZH and ZH , which for each group λ and each value of the index variables m , l are the product of the corresponding spectral coefficient and element of the Fourier kernel, can also be calculated at the setup stage, stored in computer memory and used in finished form at the stage of direct signal reproduction. As a result, a significant amount of computational operations will be assigned to the setup stage, significantly reducing the computational complexity of the direct signal simulation stage.

Далее осуществляется непосредственно имитация сигнала, включающая восстановление сигнала из спектра с помощью имитации сигнала в базисе Уолша-Пэли. Он представляется следующей формулой восстановления сигнала из спектра в базисной системе Уолша - Пэли [3]:Next, the signal is directly simulated, including the reconstruction of the signal from the spectrum using signal simulation in the Walsh-Paley basis. It is represented by the following formula for reconstructing the signal from the spectrum in the Walsh-Paley basis system [3]:

(4) (4)

Этап непосредственной имитации сводится в таком случае к суммированию произведений готовых погрупповых тригонометрических коэффициентов Y П на погрупповые значения базисных функций Уолша - Пэли.The stage of direct simulation is reduced in this case to the summation of the products of ready-made group trigonometric coefficients Y P by group values of the Walsh-Paley basis functions.

, (5) , (5)

λ=3,4,…,n+1, l=0,1,…,2λ-2-1.λ=3.4,…, n +1, l =0.1,…,2λ-2-1.

Операции умножения на этапе непосредственной имитации полностью исключены. Случайное изменение знаков обеспечивается теми же ранее введенными некоррелированными случайными величинами μ и γ с введенной для них обобщенной индикацией: и , где выражение (1+2m) определяет номер величины, а выражение N/(2λ-1) относит ее к соответствующей группе.Multiplication operations are completely eliminated at the stage of direct simulation. A random change of signs is ensured by the same previously introduced uncorrelated random variables μ and γ with a generalized indication introduced for them: And , where the expression (1+2 m ) determines the number of the quantity, and the expression N /(2λ-1) assigns it to the corresponding group.

Таким образом, за счет вынесения на этап настройки практически всех основных вычислительных операций, причем при погрупповом их выполнении, а также сокращении ряда для каждого i -го отсчета сигнала до количества членов, зависящего от числа групп, а не от числа отсчетов, суммарное число операций, выполняемых на этапе непосредственной имитации сигнала, сведено к минимуму.Thus, by bringing almost all the main computational operations to the setup stage, and when performing them in groups, as well as reducing the series for each i -th signal sample to the number of terms depending on the number of groups, and not on the number of samples, the total number of operations performed at the stage of direct signal simulation is reduced to a minimum.

Изобретение иллюстрируется следующими чертежами.The invention is illustrated by the following drawings.

На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого способа, которая включает следующие обозначения:In fig. Figure 1 shows a block diagram of the proposed method, which includes the following symbols:

- А1 - Блок задания параметров имитации;- A1 - Block for setting simulation parameters;

- А2 - Блок вычисления спектра в базисе тригонометрических функций (ТФ)- A2 - Block for calculating the spectrum in the basis of trigonometric functions (TF)

- А3 - Блок преобразования спектра в базис Уолша-Пэли;- A3 - Block for converting the spectrum into the Walsh-Paley basis;

- А4 - Блок получения случайного спектра;- A4 - Block for obtaining a random spectrum;

- А5 - Блок восстановления случайного сигнала из спектра;- A5 - Block for restoring a random signal from the spectrum;

- А6 - Блок расчета теоретической АКФ;- A6 - Block for calculating the theoretical ACF;

- А7 - Блок расчета алгоритмической АКФ;- A7 - Algorithmic ACF calculation block;

- А8 - Блок расчета экспериментальной АКФ;- A8 - Experimental ACF calculation block;

- А9 - Блок построения графиков;- A9 - Graphing block;

- А10 - Блок расчета погрешностей АКФ;- A10 - ACF error calculation block;

- А11 - Блок оператора преобразования спектра;- A11 - Spectrum transformation operator block;

- А12 - Блок расчета функций Уолша;- A12 - Block for calculating Walsh functions;

- Р1 - порядок ядра Фурье (число отсчетов, мощность исходной и целевой систем базисных функций); - P1 - order of the Fourier kernel (number of samples, power of the source and target systems of basis functions);

- Р2 - детерминированный спектр сигнала в базисе ТФ; - P2 - deterministic spectrum of the signal in the TF basis;

- Р3 - спектр сигнала в базисе Уолша - Пэли, полученный с помощью прямого или оптимизированного оператора преобразования спектра; - P3 - signal spectrum in the Walsh-Paley basis, obtained using a direct or optimized spectrum transformation operator;

- P4 - случайный спектр сигнала в базисе Уолша - Пэли; - P4 - random spectrum of the signal in the Walsh-Paley basis;

- P5 - уравнения преобразования спектра; - P5 - spectrum transformation equations;

- Р6 - значения функций Уолша в упорядочении Пэли.- P6 - values of Walsh functions in the Paley ordering.

- I1 - энергетическая характеристика сигнала (ФСПД или АКФ) в табличном (дискретном) или аналитическом представлении; - I1 - energy characteristic of the signal (FSPD or ACF) in tabular (discrete) or analytical representation;

- I2 - число отсчетов N, напрямую влияющее на точность имитации;- I2 - number of samples N , which directly affects the accuracy of the simulation;

- I3 - вектор параметров, зависящий от задаваемых требований к имитации (T, Δt k , σ c , ω с , n число реализаций сигнала).- I3 - vector of parameters depending on the specified requirements for simulation ( T , Δ t k , σ c , ω c , n number of signal realizations).

- R1 - вектор значений воспроизведенного сигнала;- R1 - vector of values of the reproduced signal;

- R2 - вектор значений теоретической АКФ;- R2 - vector of theoretical ACF values;

- R3 - вектор значений алгоритмической АКФ;- R3 - vector of values of the algorithmic ACF;

- R4 - вектор значений экспериментальной АКФ;- R4 - vector of experimental ACF values;

- R5 - график воспроизведенного сигнала; - R5 - graph of the reproduced signal;

- R6 - графики АКФ;- R6 - ACF graphs;

- R7 - значения погрешностей АКФ.- R7 - ACF error values.

- M1 - датчик случайных чисел с заданным законом распределения;- M1 - random number sensor with a given distribution law;

- M2 - построитель графиков функций.- M2 - function graph builder.

На фиг. 2 представлены графики зависимости погрешностей АКФ от числа отсчетов имитируемого сигнал физического белого шума, экспоненциальной и кусочно-линейной («треугольная»).In fig. Figure 2 shows graphs of the dependence of ACF errors on the number of samples of the simulated physical white noise signal, exponential and piecewise linear (“triangular”).

Реализация способа заключается в последовательном выполнении следующих операций:The implementation of the method consists in sequentially performing the following operations:

1. Дискретизация заданной энергетической характеристики сигнала выполняется до начала работы, дискретные значения поступают на вход I1. Входные данные и параметры Ii, i=1,3, а также результаты моделирования Rj, j=1,7 в соответствии с выражениями (1-3). При этом блок А1 полностью реализует этап задания исходных данных и параметров имитации, а блоки А6 - А10 отвечают за оценку качества алгоритма имитации по результатам воспроизведения сигналов. Вычисление трех видов АКФ происходит в отдельных функциональных блоках А6 - А8, после чего результаты поступают в процедуры построения графиков АКФ и сигнала (блок А9) и определения погрешностей (блок А10).1. Discretization of the given energy characteristic of the signal is performed before starting work, discrete values are supplied to input I 1. Input data and parameters I i, i =1.3, as well as modeling results Rj , j =1.7 in accordance with expressions (1 -3). In this case, block A1 fully implements the stage of specifying the initial data and simulation parameters, and blocks A6 - A10 are responsible for assessing the quality of the simulation algorithm based on the results of signal reproduction. The calculation of three types of ACF occurs in separate functional blocks A6 - A8, after which the results enter the procedures for plotting ACF and signal graphs (block A9) and determining errors (block A10).

2. В блоке А2 вычисляются дискретные спектральные коэффициенты в тригонометрическом базисе, затем выполняется преобразование спектра в базис Уолша - Пэли (блок А3), а прямой либо оптимизированный операторы преобразования спектра (блок А11) служат функциональным механизмом для спектрального преобразования.2. In block A2, discrete spectral coefficients are calculated in a trigonometric basis, then the spectrum is converted to the Walsh-Paley basis (block A3), and direct or optimized spectrum transformation operators (block A11) serve as a functional mechanism for spectral transformation.

3. С помощью датчика случайных чисел (механизм М1) генерируются случайные величины μ, γ имитации стационарных сигналов, формируется случайный спектр (блок А4), из которого восстанавливается случайный сигнал с помощью преобразований в базисе Уолша - Пэли (блок А5). 3. Using a random number sensor (mechanism M1), random variables μ, γ are generated to simulate stationary signals, a random spectrum is formed (block A4), from which a random signal is restored using transformations in the Walsh-Paley basis (block A5).

В результате имитационного моделирования в среде Matlab предлагаемым способом установлено, что предлагаемый способ не только не ухудшает точность воспроизведения сигналов, но и обладает несколько более высокой точностью имитации по погрешности экспериментальной АКФ.As a result of simulation modeling in the Matlab environment using the proposed method, it was established that the proposed method not only does not degrade the accuracy of signal reproduction, but also has a slightly higher simulation accuracy in terms of the error of the experimental ACF.

С целью проведения вычислительного эксперимента были выбраны три аналитически задаваемые ФСПД нерационального вида и соответствующие им автокорреляционные функции: физического белого шума, экспоненциальная и кусочно-линейная («треугольная»). Данные характеристики применяются на практике, хорошо изучены [1,3] и могут служить в качестве тестовых при испытании алгоритмов имитации случайных процессов, представленными в таблице 1.For the purpose of conducting a computational experiment, three analytically specified FSPDs of non-rational form and the corresponding autocorrelation functions were selected: physical white noise, exponential and piecewise linear (“triangular”). These characteristics are used in practice, are well studied [1,3] and can serve as test ones when testing algorithms for simulating random processes presented in Table 1.

Параметры имитации физического белого шума: N=128, ω c =10π, b=0.5, σ=1. Значение дисперсии взято равным единице для удобства последующего сравнения и оценки погрешностей, получаемых АКФ имитируемых сигналов.Parameters for simulating physical white noise: N =128, ω c =10π, b =0.5, σ=1. The dispersion value is taken equal to unity for the convenience of subsequent comparison and evaluation of errors obtained by the ACF of the simulated signals.

Параметры имитации экспоненциальной и кусочно-линейной функции N=128, ω c =10π, σ=1: Параметр дискретизации b для экспоненциальной ФСПД взят равным 0.001, для «треугольной» - 0.5.Parameters for simulating exponential and piecewise linear functions N =128, ω c =10π, σ=1: Discretization parameter b for exponential FSPD is taken equal to 0.001, for “triangular” - 0.5.

Практическое моделирование показало, что новый разработанный алгоритм не только не ухудшает точность воспроизведения сигналов, но и обладает несколько более высокой точностью имитации по погрешности экспериментальной АКФ. На примененных ФСПД при достаточном в практических задачах числе отсчетов N=128 снижение указанной погрешности составило величину от 0.002 до 0.03. Среднее снижение погрешности при имитации на тех же ФСПД и значениях N от 32 до 1024 имеет разброс от 0.0005 до 0.0152 (Фиг. 2).Practical modeling has shown that the newly developed algorithm not only does not degrade the accuracy of signal reproduction, but also has a slightly higher simulation accuracy in terms of the error of the experimental ACF. On the applied FSPDs, with a sufficient number of readings N=128 for practical purposes, the reduction in the indicated error amounted to a value from 0.002 to 0.03. The average reduction in error during simulation on the same FSPD and N values from 32 to 1024 has a spread from 0.0005 to 0.0152 (Fig. 2).

Проведенный анализ всех основных этапов имитации алгоритмов на основе Фурье и Уолша-Пэли представленный в таблице 2, показал коэффициент выигрыша по времени в среднем больше 20% (что говорит о уменьшение времени имитации сигнала), что дает возможность имитации в жестком модельном времени сигнально-помеховой обстановки РТС.The analysis of all the main stages of simulating algorithms based on Fourier and Walsh-Paley, presented in Table 2, showed a time gain coefficient on average of more than 20% (which indicates a reduction in signal simulation time), which makes it possible to simulate signal-interference signals in a rigid model time RTS situation.

Таблица 2. Анализ всех основных этапов имитации алгоритмов на основе Фурье и Уолша-ПэлиTable 2. Analysis of all main stages of simulation of algorithms based on Fourier and Walsh-Paley

Аналитическая оценка временной вычислительной сложности разработанного способа имитации, представленный в таблице 3, которая показала преимущество имитации в базисе Уолша - Пэли перед имитацией в базисе тригонометрических функций. По сравнению с ними вычислительная сложность алгоритмов имитации стационарных сигналов сократилась не менее чем в 1.2 раза.Analytical assessment time computational complexity of the developed simulation method, presented in Table 3, which showed the advantage of simulation in the Walsh-Paley basis over simulation in the basis of trigonometric functions. Compared to them, the computational complexity of algorithms for simulating stationary signals has been reduced by at least 1.2 times.

Таким образом, разработанный способ имитации сигнально-помеховой обстановки позволяет имитировать в жестком модельном времени сигнально-помеховую обстановку РТС и уменьшить вычислительную сложность алгоритмов имитации при полунатурных испытаниях.Thus, the developed method for simulating a signal-noise environment makes it possible to simulate the signal-noise environment of an RTS in a rigid model time and reduce the computational complexity of simulation algorithms during semi-natural tests.

Предлагаемый способ промышленно применим, так как основан на известных достижениях радиоэлектронной техники и не требует внесения изменений в конструкцию радиолокационного комплекса.The proposed method is industrially applicable, since it is based on well-known achievements in radio-electronic technology and does not require changes to the design of the radar complex.

Список используемых источниковList of sources used

1. Залманзон Л.А. Преобразования Фурье, Уолша, Хаара и их применение в управлении, связи и других областях. М.: Наука. 1989. 496 с.1. Zalmanzon L.A. Fourier, Walsh, Haar transforms and their application in control, communications and other areas. M.: Science. 1989. 496 p.

2. Пугачев В.С. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления. 3-е изд., испр. М.: Физматгиз. 1962. 883 с.2. Pugachev V.S. Theory of random functions and its application to automatic control problems. 3rd ed., rev. M.: Fizmatgiz. 1962. 883 p.

3. Алгоритмы преобразования спектров в базисах Хартли и Уолша / Пролетарский А.В. [и др.] // Автоматизация. Современные технологии. М.: Изд-во «Инновационное машиностроение». 2018. Т. 72, № 10. С. 453-461.3. Algorithms for transforming spectra in Hartley and Walsh bases / Proletarsky A.V. [etc.] // Automation. Modern technologies. M.: Publishing house "Innovative mechanical engineering". 2018. T. 72, No. 10. P. 453-461.

4. Виноград С. О вычислении дискретного преобразования Фурье // Макклеллан Дж.Г., Рейдер Ч.М. Применение теории чисел в цифровой обработке сигналов. М.: Радио и связь. 1983. С. 117-136.4. Winograd S. On the calculation of the discrete Fourier transform // McClellan J.G., Rader Ch.M. Application of number theory in digital signal processing. M.: Radio and communications. 1983. pp. 117-136.

Claims (1)

Способ имитации сигнально-помеховой обстановки, заключающийся в предварительной настройке, включающей ввод таблично заданной энергетической характеристики воспроизводимого сигнала либо задание в программе выражения, соответствующего ее дискретизированному аналитическому представлению, настройку точности имитации сигнала, регулируемой числом N его отсчетов, выбор или расчет параметров имитации, расчет тригонометрических коэффициентов и непосредственную имитацию сигнала, включающую восстановление сигнала из спектра, отличающийся тем, что при предварительной настройке после расчета тригонометрических коэффициентов производится расчет элементов ядра Фурье оператора взаимопреобразования спектров между базисами Фурье и Уолша-Пэли, выделение в этом ядре независимых групп тригонометрических коэффициентов, преобразование спектра в тригонометрическом базисе в спектр в базисе Уолша-Пэли путем расчета случайных коэффициентов Уолша-Пэли, а при непосредственной имитации производится восстановление сигнала из спектра путем суммирования произведений готовых погрупповых тригонометрических коэффициентов на погрупповые значения случайных коэффициентов Уолша-Пэли.A method of simulating a signal-interference environment, which consists of preliminary setup, including entering a tabulated energy characteristic of the reproduced signal or specifying in the program an expression corresponding to its discretized analytical representation, setting the accuracy of signal simulation, adjustable by the number N of its samples, selecting or calculating simulation parameters, calculation trigonometric coefficients and direct signal simulation, including reconstruction of the signal from the spectrum, characterized in that during preliminary setup, after calculating the trigonometric coefficients, the elements of the Fourier kernel of the operator of interconversion of spectra between the Fourier and Walsh-Paley bases are calculated, independent groups of trigonometric coefficients are identified in this kernel, transformation spectrum in a trigonometric basis into a spectrum in a Walsh-Paley basis by calculating random Walsh-Paley coefficients, and with direct simulation, the signal is restored from the spectrum by summing the products of ready-made group trigonometric coefficients by group values of random Walsh-Paley coefficients.
RU2023124517A 2023-09-24 Signal-noise environment simulation method RU2818373C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2818373C1 true RU2818373C1 (en) 2024-05-02

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2094815C1 (en) * 1994-10-08 1997-10-27 Государственный центральный научно-исследовательский радиотехнический институт Simulator of radio sources
US20030088390A1 (en) * 2001-02-27 2003-05-08 Tommi Jamsa Method of performing channel simulation, and channel simulator
CN101382968B (en) * 2008-10-17 2010-11-03 北京航空航天大学 An advanced comprehensive avionics simulation system and its simulation method
RU2629709C2 (en) * 2015-11-25 2017-08-31 Акционерное общество "Концерн "Гранит-Электрон" Device for semi-natural modeling control system of unmanned aircraft vehicle with radar sight
RU2747883C1 (en) * 2020-11-02 2021-05-17 Виктор Андреевич Кузнецов Method for simulating radio signal

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2094815C1 (en) * 1994-10-08 1997-10-27 Государственный центральный научно-исследовательский радиотехнический институт Simulator of radio sources
US20030088390A1 (en) * 2001-02-27 2003-05-08 Tommi Jamsa Method of performing channel simulation, and channel simulator
CN101382968B (en) * 2008-10-17 2010-11-03 北京航空航天大学 An advanced comprehensive avionics simulation system and its simulation method
RU2629709C2 (en) * 2015-11-25 2017-08-31 Акционерное общество "Концерн "Гранит-Электрон" Device for semi-natural modeling control system of unmanned aircraft vehicle with radar sight
RU2747883C1 (en) * 2020-11-02 2021-05-17 Виктор Андреевич Кузнецов Method for simulating radio signal

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
В.Е.Важенин. Полунатурное моделирование бортовых радиолокационных систем, работающих по земной поверхности. Екатеринбург. Издательство Уральского университета 2015. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Sarradj et al. A Python framework for microphone array data processing
Kheir et al. On validating simulation models of missile systems
Åström et al. Numerical identification of linear dynamic systems from normal operating records
Gan et al. A discrete BCG-FFT algorithm for solving 3D inhomogeneous scatterer problems
US6285972B1 (en) Generating a nonlinear model and generating drive signals for simulation testing using the same
Zhou et al. Tracking the direction-of-arrival of multiple moving targets by passive arrays: Algorithm
CN113189561B (en) A sea clutter parameter estimation method, system, equipment and storage medium
CN109933047B (en) A Joint Reliability Test Profile Construction Method for a Hybrid System of Software and Hardware
DE102020133242A1 (en) Open loop multichannel audio impulse response measurement and detection path evaluation
US20070005324A1 (en) Method and apparatus for simulating circuits using s-parameters
RU2818373C1 (en) Signal-noise environment simulation method
Maldonado et al. Uncertainty propagation in power system dynamics with the method of moments
CN114002742B (en) An Euler Gaussian beam migration imaging method and device
US5768130A (en) Method of calculating macrocell power and delay values
RU2146063C1 (en) Method for identification of linear object
US20070005325A1 (en) Circuit simulation using precision-space concept
Blanco-Murillo et al. A method for informed selection of memory-length and nonlinearity-order parameters in Volterra–Wiener systems from exponential sweep excitations
EP1138018B1 (en) Measuring system repeatable bandwidth for simulation testing
Gubsky et al. Computer modeling of measurement devices and tools
US7143015B1 (en) Method and system for rapid identification of multiple input systems
CN118395683B (en) Solar irradiance probability modeling method and device based on non-parametric solution set
KR102839011B1 (en) Method and system for deep learning network performance simulation in PIM architecture
SU962930A1 (en) Generator of continuous normally-distributed pseudorandom signal
Arkov et al. Optimal spectral resolution in system identification
Betti et al. A Galerkin/neural approach for the stochastic dynamics analysis of nonlinear uncertain systems